Aplicaciones de la biotecnología en la monitorización y prevención de la contaminación ambiental

Aplicaciones biotecnología

Monitorización (para identificar el problema), Eliminar (tratar residuos en vertederos, aguas residuales, biorremediación), Prevención (para minimizar o eliminar la contaminación como energías renovables).

Grandes problemas medioambientales

Contaminación (Acumulación de materiales de desecho en el medio ambiente que pueden dañar al hombre o ecosistema. Existen dos tipos de compuestos: Naturales que son orgánicos e inorgánicos como petróleo y nitrato y compuestos xenobióticos compuestos que proceden de actividad humana y son recalcitrantes, difíciles de eliminar). Efecto invernadero (cambio climático se debe al aumento del efecto invernadero, parte de radiación que alcanza el planeta queda en él. Dos tipos de radiaciones: solar y la del cuerpo, gases efecto invernadero, aumento CO2 favorece...). Agotamiento de los recursos naturales (Por el aumento de población, aumento del consumo, alimentos).

Desarrollo sostenible

Desarrollo que asegura las necesidades del presente sin comprometer las capacidades de futuras generaciones y sus necesidades. Para ello se monitoriza la contaminación, biorrepara, prevención de contaminación por procesos industriales, nuevos productos, y recuperación de recursos naturales.

Monitorización del medio ambiente

Físico química (Análisis gravimétrico, se añade un compuesto que al combinarse con el compuesto que queremos precipita, Medida de pH, análisis colorimétrico para medir turbidez y color, electrodos de oxígeno y iones específicos, absorción atómica para medir elementos puros, técnicas cromatográficas y espectrométricas para medir compuestos orgánicos).

Bioindicadores

Son organismos o sistemas biológicos que sirven para evaluar variaciones en calidad ambiental porque tienen efectos medibles al ser expuestos a un contaminante. Son fácilmente identificables, con biología bien conocida y se encuentran en muchos hábitats. Ejemplo líquenes porque son muy sensibles y simples estructuralmente.

Biomarcadores

Tipos: Ecológico (cambio densidad población), Cambio comportamiento, Fisiológico (acumulación metales pesados, producción CO2 o DBO (parámetro que analiza aguas e indica cantidad de oxígeno necesaria para que se oxide biológicamente la materia orgánica que esté en esa agua). Bioquímico (acumulaciones de proteínas o enzimas frente al contaminante como citocromo P450 o metalotioneínas), Genéticas (cambio expresión genes como RT-PCR donde se transforma un ARN en ADNc).

Biosensores

Dispositivos pequeños que miden la presencia de una sustancia porque interacciona con un elemento biológico y esto provoca un cambio que se trasduce por un elemento físico-químico en una señal medible. El censo puede ser ADN, proteínas, orgánulos, células enteras. El detector puede ser electroquímico, fotométrico, termométrico o piezoeléctrico. Sensores de células enteras con promotor del gen informador que se expresa siempre hasta que haya un estrés, los semiespecíficos el gen informador está bajo promotor inducible bajo estrés y los específicos son los que responden ante un compuesto. (basados en genes que generan una proteína detectable en presencia de una sustancia porque esta se une al promotor). Los que no tienen promotores (el micro sintetiza proteínas que no dimerizan hasta que no esté esta sustancia presente que dimerizan y son detectables por fluorescencia).

Biodiversidad de microorganismos presentes en un ambiente

Mediante marcadores genéticos se saca el ARNr del ambiente y se secuencia genes. El más importante es el ARNr 16/18S que contienen las secuencias Fierman que son secuencias muy conservadas y así se identifica el grupo, no hace falta saber los genes enteros. DGGE (sirve para fragmentos cortos, se separa por secuencia. En el gel hay acrilamida con urea-formamida que desnaturaliza el ADN. Se añade cola GC para que se quede atascado en el gel al abrirse las hebras. Separa secuencias moleculares que difieren en 1 nucleótido y se distinguen microorganismos distintos). Hibridación por fluorescencia in situ (FISH) se usan sondas que identifican ARNr, son sondas cortas de 18 nucleótidos que marcamos con fluorocromo. Metagenómica. DGGE, clona de ARNr 16s y sonda son técnicas cualitativas. FISIOLÓGICAMENTE método re enriquecimiento y capacidades metabólicas y ecológicas.

Por qué es crucial el desarrollo de técnicas de secuenciación masiva para descubrir nuevos genes?

Porque la secuenciación masiva permite desarrollar librerías metagenómicas donde se comparen los genes de distintas especies. Meta es secuenciar todo el genoma de una comunidad de microorganismos.

Qué es una librería metagenómica y tipo análisis funcional para identificar una nueva enzima?

Las librerías son colecciones de material genético obtenido de organismos en un ambiente y que permiten obtener información de ellos sin cultivarlos. Análisis funciones: actividades enzimáticas, metrex (expresión reguladas por metabolitos) y Sigex (expresión inducida por sustrato).

Mejorar funcionamiento de una enzima

Evolución dirigida, Tipos: 1. PCR con taq polimerasa, 2 DNA suffling: los diferentes genes que codifican para enzimas similares se digieren con DNAsa y se reensamblan de nuevo aleatoriamente en PCR, generando enzimas recombinantes que pueden seleccionarse. 3Casting: se dirigen mutaciones a los aa que forman el sitio activo de la enzima, generando las combinaciones posibles de aa del sitio activo.

Residuos sólidos

Agrarios (procede agri, gana, pesca), sólidos urbanos (basura y mantenimiento urbano), industriales (residuos de industria), médicos y laboratorios y radioactivos.

Tratamiento de materia orgánica en vertederos controlados vs compostajes

Vertederos diseñados para recoger metano producido por descomposición anerobia microbiana de la M.O. Hay tuberías porosas que recogen el biogás y revestido por plástico y gravilla para evitar lixiviados, el metano se quema para liberar CO2 que es menos perjudicial. En compostajes consiste en estabilización biológica por micro de residuos orgánicos bajo condiciones aerobias, es un proceso a altas temperaturas.

Compostaje y etapas

Es una alternativa a la descomposición de vertederos donde estabilizan los micros los residuos orgánicos bajo condiciones aerobias. Fases: 1Degradación de solubles, 2 mineralización, 3 degradación de polímeros y 4 formación sustancias húmicas. En la fase mesófila son bacterias y hongo mesófilos aumenta T y baja pH producto de los ácidos producidos en la fermentación y se degradan monómeros. Fase termófilas bacterias y hongos termo sube T y pH por el amonio producido por degradar proteínas. Se degradan polímeros hasta que quedan complejos. Fase maduración la mo se acompleja por hongos dándose sustancias húmicas.

Tratamiento de aguas residuales

Es biológico para eliminar mo del agua y reducir el DBO. Tipos de filtros biológicos (tanque con biofilm que pasa por ahí y se reduce según pasa por ahí) Tipo lodos (el agua se trata porque se airea en un tanque grande y se mezcla con floculos. Etapas: Pretratamiento (retira componentes sólidos), Primario (elimina sólidos en suspensión por decantación dando residuos sólidos), Secundario (elimina o reduce la mo disuelta por trata biológico que tiene una fase aerobia donde se da un segundo residuo y otra anaerobia que degrada biomasa microbina producida en la 1ra fase), Terciario (consiste en eliminar patógenos y nutrientes inorgánicos como nitrógeno y fósforo).

Comentabolismo importante para biorremediación de productos xenobióticos

Porque los compuestos xenobióticos son normalmente resistentes a degradación biológica y el cometabolismo puede generar a partir de estos compuestos otras sustancias que si pueden ser degradadas biológicamente. El cometabolismo es un proceso por el cual las enzimas metabólicas de un organismo pueden modificar químicamente un producto químico sin que ello le aporte carbono o energía. El xenobioticodegradado en el cometabolismo no induce actividad de la enzima, ejemplo deshalogenación oxidativa del herbicida 2,4,5T.

Mecanismos de biorremediación de metales pesados

Bioadsorción (acumular en superficie por cargas positivas los metales que interaccionan con las cargas negativas de la pared), Secuestro intracelular (el organismo incluye dentro de el metal pesado), biomineralización (precipita de metales en forma de carbonatos, sulfuros o fosfatos. Estos se exportan y se unen con el metal dando un compuesto neutro que precipita), Biotransformación (micro hace que el metal sea neutro y deje de interaccionar, cambio químico sobre metal pesado, cambia estado de oxidación).

Bacterias hidrocarbonoclásicas y papel en biorremediación de petróleo

Bacterias que solo crecen en presencia de hidrocarburos, se alimentan de su degradación Para crecer en el medio tiene que estar el contaminante como fuente de C y E.

Producción de índigo en bacterias es ejemplo de biología sintética?

Porque en la producción sintética del índigo se usa una E. Coli modificada genéticamente a la que se le han añadido varias enzimas, las cuales le dan la capacidad de sintetizar índigo. [Biología sintética: rediseño de sistemas biológicos para obtener nuevos propósitos o aplicaciones. Integra muchas disciplinas como genómica o ingeniería metabólica].

Biocombustibles como energías renovables, ventajas e inconvenientes

Porque los biocombustibles pueden regenerarse por medios naturales. • Ventajas: renovable (depende del Sol), fácilmente biodegradable (baja toxicidad) y los residuos se pueden usar para fabricar biocombustibles. • Desventajas: encarecen el precio de los alimentos (solucionado con los biocombustibles de segunda generación, los cuales son producidos por organismos que no producen alimentos), pérdida de biodiversidad por la instauración de monocultivos, pérdida de superficie forestal y gasto energético en los cultivos (fertilizantes, tractores, etc.).

Biodiesel de 3ra generación

Biodiesel: biocombustible compuesto por ésteres metílicos formado a partir de ácidos grasos (triglicéridos) y metanol. El de 3ra generación los triglicéridos proceden de microalgas (con porcentajes altos de grasas y que carecen de ligninas) en lugar de plantas por lo que se obtiene mas rendimiento.

Tecnología ideal a desarrollar para degradación de residuos lignocelulósicos?

Que biocombustible se generaría? La tecnología ideal sería disponer de microorganismos que degraden los residuos lignocelulósicos directamente en etanol, sin pretratamientos y mediante una sacarificación y fermentación simultáneas. Para ello, se requerirían: • Microorganismos que degraden la celulosa y la hemicelulosa (celulosomas: complejos multiproteicos con diversidad de celulasas). • Microorganismos que fermenten tanto hexosas como pentosas (como la levadura Pichia stiptis). • Microorganismos con alta tolerancia al etanol.